多高层建筑结构计算中的疑难问题及其处理办法

多高层建筑结构计算中的疑难问题及其处理办法吴文勇广东省建筑设计研究院深圳市广厦软件有限公司一、主流结构计算软件的发展1.发展历史构件计算平面杆系通用分析和设计空间薄壁杆系墙元杆系1982年计算机1995年1985年2007年小型机微机超性能微机2.下一代主流结构计算应具备的条件1）分析通用性：具有丰富的计算单元、荷载、快速而大规模的求解器；2）结构设计规范的紧密结合：能达到设计规范要求的各种计算功能；3）友好的前后处理：平面、立面和三维建模，参数完全开放设置，施工图自动生成；4）优秀的技术服务：提供及时、周到和彻底的技术咨询。3.国产通用分析和设计软件继续成为下一代主流计算1）GSSAP：主流结构计算软件2）PMSAP：复杂结构计算软件3）ETABS：国外计算软件二、模型简化1.为什么壳单元在各计算软件中计算墙的结果不同1)采用壳单元的墙的基本计算方法：壳单元+子结构+转角约束xy2123312)计算结果不同的主要原因a)单元形函数每层采用一个带开洞的子结构式墙单元A点x向位移A点z向位移B点x向位移B点z向位移ETABS16.5484.18816.134-3.956GSSAP17.1384.20016.701-3.959SATWE19.2224.41218.540-4.054两片墙采用两个子结构式墙单元，洞口上部分采用梁单元A点x向位移A点z向位移B点x向位移B点z向位移ETABS22.0804.85021.614-4.640GSSAP19.3994.26118.888-4.034SATWE20.0514.60619.243-4.130b)罚约束c)单元剖分长度5x52x21x1ETABS22.0804.85021.614GSSAP19.3994.26118.888SATWE20.0514.60619.243单元尺寸/厚度5d)墙上下节点协调500ECA30005003000FDG3000B1000kN5001000kNECA30003000500FDB3000G500500HI罚约束1罚约束2节点号水平位移(mm)按节点协调计算按罚约束1计算按罚约束2计算A4.2473.8514.195B3.5703.3233.510500ECA30005003000FDG3000B500kN500kN500kN500ECA30003000500500kNFDB3000G500500HI罚约束1罚约束2节点号竖向位移(mm)按节点协调计算按罚约束1计算按罚约束2计算A0.6410.4730.631B0.6410.4730.631软件名处理办法引起误差的原因和控制方法SATWE节点协调1.产生很多厚度大于尺寸的小壳单元；2.上下节点剖分不对出现不协调节点。PMSAP节点约束加入节点间罚约束使位移太小GSSAP节点协调+约束罚约束与节点协调相比，位移减少，所以当加罚约束时，节点间距离应控制在0.5m之内，否则应采用节点协调的计算方法2.次梁在空间分析中的计算模型1)次梁来源：建模输入次梁和井字梁2)连续次梁的两端所搭接梁抗扭过大当连续次梁的两端搭接不是墙柱且为刚接时梁端边界条件自动设置为半刚，半刚系数为0.1，使连续次梁的两端弯矩较小，与实际模型相符。刚接:-13.74半刚:-3.39铰接:0.003.梁柱的7种变截面形式计算1)截面高沿杆变化2)变化类型：等截面、线性变化、拱变化、圆弧变化、半拱变化、支托和分段变化3)直线杆和圆弧杆按20段细分计算各段刚度。4.开洞梁的计算洞口大小对弯矩的影响5.楼板的计算模型1)程序在计算楼层侧向刚度和楼层结构位移时按全楼平面内无限刚计算。2)在总信息中选择是否“所有楼层强制采用刚性楼板假定”来决定结构振动周期和内力计算模型；当选择“实际”模型时，根据楼板的单元计算类型和节点周边板的情况自动形成实际模型来计算周期和内力。楼板的单元计算类型分为：a)刚性板（面内无限刚，面外刚度为0）；b)膜单元（面内弹性刚度，面外刚度0）；c)板单元（面内无限刚，面外是弹性板刚度）d)壳单元（面内面外均为弹性刚度）。“实际模型”判据为：当结构有采用刚性板或板单元的楼板时，根据楼板所采用的计算单元自动形成多块平面内无限刚的刚板，对于用户指定为膜单元和壳单元等的不属于刚板上的楼板或节点自动根据实际情况按弹性楼板或自由节点计算。3)考虑几何不敏感性网格扭曲系数α端点弯矩荷载端点位移标准化端点剪力荷载端点位移标准化精确１１０１１１0.970.98２0.930.95GSSAP膜单元网格扭曲系数α端点弯矩荷载端点位移标准化端点剪力荷载端点位移标准化精确１１０１0.958１0.5020.510２0.2800.303ETABS膜单元6.带侧约束地下室的刚度1)刚度放大无依据；2)侧土弹簧根据侧土基床系数；3)侧土基床系数不同对顶点位移和周期的影响。7.层间梁和斜柱1)立面和三维输入2)自动节点剖分3)按弹性计算（图）8.(杆端和支座)自由度的释放和约束1)梁两端铰接；2)单桩基础上柱下端铰接；3)地下室嵌固；4)不等高嵌固；5)考虑沉降不均匀计算。1)梁两端铰接；2)单桩基础上柱下端铰接；3)地下室完全嵌固；结构层1平面嵌固时，设置结构层2中同一刚板号任一墙柱下节点约束。4)不等高嵌固；a)在总体信息中按实际模型计算；b)结构层2平面嵌固时，设置结构层2中墙柱下节点约束。5)考虑沉降不均匀计算只用于对重力恒荷载工况下约束，用于考虑不均匀沉降对结构的影响。9.砖墙在空间分析中的计算砖墙计算模型为开洞墙元，可计算复杂的砖砼混合结构。10.单元自动剖分单元自动剖分是计算准确的重要一环。1）线单元剖分：变截面、相邻弹性板、中间有其它构件搭接点；2）墙和梁带洞口的矩形单元剖分；3）板的凸凹多边形剖分。可自动剖分二维任意凸凹多边形，多边形内可包含多边形洞口、剖分点和剖分线。基础CAD中的凸凹多边形剖分。三、荷载与作用1.通用分析中荷载的完整输入1)4个数据：类型、工况、方向和大小；2)类型指的是它的形式如均布和分布等；3)8类工况为：恒、活、水土压力、预应力、雪、温度、人防、施工和风荷载；4)6个荷载作用方向：局部坐标的1、2、3轴和总体坐标的X、Y、Z轴；5)可以在墙柱梁板上人工布置荷载。2.恒活荷载分重力类和非重力类工况类型荷载工况恒荷载重力类恒荷载：结构自重、装修等计入质量的恒荷载非重力类恒载：土侧压力、水侧压力、水浮力和预应力荷载等不计入质量的恒荷载可变荷载重力活载：规范定义的楼面活荷载，计入质量吊车荷载，可计入质量雪荷载，计入质量风荷载：可考虑8个方向温度:升温和降温地震作用地震作用：可考虑8个方向（工况）偶然偏心地震作用：可考虑8个方向（工况）人防荷载人防等效静力荷载施工荷载施工荷载3.温度荷载的计算墙柱梁板都支持温度应力分析:1）包含升温和降温两工况；2）可布置均匀升降温和温度梯度荷载；3）采用应力松弛系数来考虑钢筋混凝土结构的徐变，实际温差乘以应力松弛系数作为计算温差，应力松弛系数根据温差变化过程的缓慢程度不同可取0.3-0.5，温差变化过程快时应力松弛数大，反之则小。4.地下室的人防设计可以进行各种复杂的地下室人防计算:1)多层人防的计算；2)结构局部人防的计算；3)多个人防单元的计算；4)没有直接布置人防荷载的墙柱梁板的人防计算。计算过程：1)选择“人防荷载”工况输入墙柱梁板的人防荷载；2)设置墙柱梁板考虑人防设计，没有直接布置人防荷载的墙柱梁板可考虑人防设计；3)三维线弹性有限元分析；4)人防作用效应组合；5)人防构件截面计算。5.施工荷载作用1）高层建筑结构首层楼面宜考虑施工荷载，不宜小于10kN/m2；2）单独作为一个荷载工况输入；3）墙柱梁板内力组合：1.0恒+1.0施工荷载γG恒+1.0施工荷载6.风荷载作用1)迎风面计算根据风荷载作用方向，将建筑外轮廓投影到垂直风荷载作用方向的平面，每一楼层的层高乘以楼层投影宽度就是迎风面积。这里注意，当楼层由多个刚性隔板组成时（互不连通）应分别计算每个刚板的投影宽度，否则风荷载会漏掉。2)层风荷载的分配根据每个节点的按迎风面积分配，好于以往计算作用于质心的方法，两者顶点位移误差最大可达20%。3)多方向的风荷载计算有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，在风荷载计算时也应分别计算各抗侧力构件方向的水平力作用。最多可输入8个风荷载方向，每个风荷载方向作为一个独立的工况参与内力组合。如0、90、180、2704)不同方向的风基本风压、体型系数和自振周期不同5)楼顶附属物的风荷载计算1)梁柱上可输入每个风作用方向的体型系数和迎风宽度，墙板可输入每个风方向的体型系数和迎风面积；2)基本风压、风压高度变化系数和距地Z高度处风振系数按构件所在的层自动计算；3)也可同普通的静力荷载输入，只是工况要选择风荷载工况；4)按层导的风荷载和用户在构件布置的风荷载互相叠加。7.地震作用1）多个地震方向计算a)最多可设置8个地震方向；b)每个方向可考虑偶然质量偏心；c)每个方向可考虑双向地震的扭转效应；d)每个方向进行刚度比和剪重比等验算并做相应的内力调整。2）3种固有频率求解方法子空间迭代法计算精度高，但速度稍慢。对于小型结构，当计算振型较多、或需计算全部结构振型时，宜选择该方法。对于普通结构计算，建议采用该方法计算。兰索斯(Lanczos)方法速度快，精度稍低。对于一般的结构计算，只需求解结构的前几十个振型，需计算振型数远小于结构的总自由度数、质点数，兰索斯方法的计算结果与子空间迭代法计算结果基本相同。李兹向量(Ritz)直接法的速度、精度介于前两者之间。在一般的结构设计中，三种计算方法的计算精度都能满足设计要求，对于特殊结构当采用一种方法求解不收敛或不能求解固有频率时，可换另一种方法求解。8.吊车荷载的计算1)吊车轨道a)两轨道可不在同一高度；b)两轨道可不平行；c)每条轨道的两端点可不在同一高度。2)荷载作用点a)与柱自动求交；b)与梁自动求交。四、有关计算的原则1.模拟施工和后浇计算1)准确的模拟施工计算:其中ninnnniii122211,,,层号n程序对于模拟施工的求解方法，不采用任何近似的方法，而是真正按施工过程的状态进行模拟计算，荷载和刚度两个都在变化的求解，结果合理。2)后浇构件的计算在框剪结构设计中，由于核心筒剪力墙与周围柱竖向变形差异大，与两者连接的梁在计算上往往承载力不够，设计上可考虑后浇施工。可设置墙柱梁板的模拟施工号实现后浇施工计算。2.关于活荷载计算1)考虑活荷载不利布置按连续梁排序考虑11种布置情况（考虑求解速度和足够多的布置包括不利情况），第1跨和第11跨活载同时布置。2)考虑墙柱基础活荷载折减处理方法：a)在总体信息中可选择按表4.1.2规定折减。b)其他房屋类别时，每根墙柱的属性中可设置活荷载分项系数，缺省随总体信息1.4，如墙柱活载折减为0.9，则可设置此墙柱活荷载分项系数=1.4*0.9=1.26，通过荷载组合考虑墙柱活荷载折减。荷载规范4.1.2中设计墙、柱和基础时的折减系数：1)第1(1)项应按表4.1.2规定采用；2)第1(2)～7项应采用与其楼面梁相同的折减系数；3)第8项对单向板楼盖应取0.5；对双向板楼盖和无梁楼盖应取0.8；4)第9～12项应采用与所属房屋类别相同的折减系数。3)考虑梁活荷载折减处理方法：每条梁的属性中可设置活荷载分项系数，缺省随总体信息1.4，如梁活载折减为0.9，则可设置此梁活荷载分项系数=1.4*0.9=1.26，通过荷载组合考虑梁活荷载折减。荷载规范4.1.2中设计楼面梁时的折减系数：1)第1(1)项当楼面梁从属面积超过25㎡时，应取0.9；2)第1(2)～7项当楼面梁从属面积超过50㎡时应取0.9；3)第8项对单向板楼盖的次梁和槽形板的纵肋应取0.8；对单向板楼盖的主梁应取0.6；对双向板楼盖的梁应取0.8。4)工业结构设计荷载规范附录C中，对不同的工业建筑结构提供了不同的活载组合值系数和准永久值系数，总体信息和构件的属性中可设置活荷载组合值系数和准永久值系数满足工业结